中国第一台兆瓦级高温超导电动机研制成功

没有链接  坐看楼主杯具

全电推进么？电磁弹射也靠谱了吧

pursuit 发表于 2012-5-21 19:40
没有链接  坐看楼主杯具
h t t p://news.ifeng.com/mil/2/detail_2012_05/21/14695328_0.shtml

这些突破就像一个一个点，还没有联成线，更没有联成面，TB还任重道远啊。

2012-5-21 20:28 上传

中船照片.---转自凤凰网.

貌似体积不太大,妈肚撑得下.

用啥子冷却？

研制成功到实际装备还要一段较长的时间。

JSTCVW09CD 发表于 2012-5-21 20:34
用啥子冷却？
不知道.相对绝对温度,这个高温多少K?---感情白高兴啦.如果换成常温......

实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
提升了一个数量级%>_<%

点一个个突破，自然连成了面

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
10倍。。。。。。。。。。。

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
10倍的关系！

千马力级别。fremm的双轴共4台推进电机。 每台还是每轴2.2兆瓦的功率。

按照汽车上的应用。40kw的电动机动力,加速能力足有3倍以上功率汽油机的效果...

航母、奶妈、凉席、8000吨级的驱逐舰 都能用它吗？

求解超导电机相比传统电机有何区别，比如同等输出功率下电机体积和耗电量有多大差异。另外一兆瓦等于多少千瓦

船舶电力推进系统的现状与未来
2009年
自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。


内容提要
• 引言
• 历史——回顾船舶电力推进的发展
• 现状——船舶电力推进的主要形式
• 未来——全电船的提出与发展
• 新能源船舶与我们的研究工作
• 结束语

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1. 引言
• 发展背景
• 问题与挑战

研究背景
自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。
问题与挑战
（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。
与机械推进系统相比，采用电动机直接驱动螺旋桨的船舶电力推进系统则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。
（2）特别是近年来，随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。
而船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。
（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。
这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一，因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。
本文试图从系统结构、变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面综述船舶电力推进系统的历史、现状与发展，并在此基础上，根据作者多次参加国际合作和交流的体会，提出了船舶电力推进系统未来发展中值得重视的一些问题，以便同行研究借鉴，并希望有更多的学者关注和投身到电力电子与传动控制这一新的研究领域中来。

2. 历史——回顾船舶电力推进的发展
• 船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直
接驱动的电力推进潜水艇投入使用。
• 进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机—发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。
20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000 HP）都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。
在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。
此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。
• 70年代晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard变流装置，成为船舶电力推进系统的主要调速方法。
自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统正在逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。
• 在这期间，80年代的电力推进系统采用交—直—交变频器供电，感应电动机或同步电动机驱动的交流调速方式，90年代开始采用交—交变频器供电，同步电动机驱动的交流调速方式。

历史的启示
从船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。
但由于船舶电力推进系统大多用于军事或特殊场合（虽然目前在大型渡轮和豪华客轮中有所应用），因此，这一重要的应用领域并不被广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。

3. 现状——舰船电力推进的主要形式
• 系统结构
• 驱动模式
• 调速方法
• 控制策略
• 系统举例
3.1 系统结构
船舶电力推进的基本结构：
电动机拖动螺旋桨

电力推进船舶的优点
• 使用高速不可逆的热力发动机，降低了船舶动力装置的重量和体积；
• 可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；
• 允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；
• 在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能；
可以获得所需的推进电机机械特性，满足不同航行条件要求；
• 控制简单、机动性好；
• 可以消除推进螺旋桨对热力发动机的振动和冲击。
3.2 驱动模式
• 船舶电力推进系统分类
• 多台电动机联合拖动方式
船舶电力推进系统分类
（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，
（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，
并根据船舶驱动所需的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。
多台电动机联合拖动方式又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。
（a）为单桨双机串联驱动模式；
（b）为单桨双机并联驱动模式；
（c）为双桨双机串联驱动模式；
（d）为双桨双机并联驱动模式。
几种船舶电力推进模式

电动机与螺旋桨舵桨和一成为目前船舶新的推进方式。

这种分散驱动新模式的优点在于：
• 推进器360°旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；
• 减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；
• 去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；
• 降低船舶振动和噪音；
• 减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降低油耗和减少造价）。

例如：西门子吊舱式电力推进器SSP
• 电动机直径减小40%；
• 电动机效率达到98%；
• 总效率提高20%。
例如：ABB的CRP Azipod推进器
• 燃油消耗减少20%；
• 往返时间缩短25%。

3.3 调速方法
• 目前，由于电力电子变流器的广泛应用，船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动FPP的驱动模式。如图所示，常用的船舶电力推进系统的调速方法有4种：

（1）直流调速系统
采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换向器的限制，其功率不能超过5MW。而且，由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养，并容易出故障。因此，目前已不再选择这种调速方法。为解决上述问题，近年来永磁电机得到发展，但因其功率更小，只能用在小功率的船上。
（2）基于循环变流器的交流调速系统
采用交—交变频器供电的交流调速系统。在船舶电力推进系统的应用中，一般主要选择同步电动机作为驱动电机。这是因为同步电动机的气隙较大且具有较高的鲁棒性，加上发电的同步发电机与拖动的同步电动机的结构相同，在大功率的应用场合更易匹配。此外，循环变流器的低频大功率特性，使采用循环变流器供电的同步电动机调速系统更适合于需要低速大转矩的船舶电力推进应用场合，比如需要零速大力矩的破冰船。
(3) 基于同步变流器的交流调速系统
采用同步变流器（交—直—交电流源逆变器）供电的交流调速系统。由于系统在网侧和负载侧都采用晶闸管自然换向的变流方式，因此只能选择同步电动机作为拖动电机。这种同步变流器与同步电动机组合的电力推进方式，由于其简单可靠，成为除破冰船之外，所有船舶都适用的选择方案。
（4） 基于PWM控制的交流调速系统
采用PWM变频器供电，异步感应电动机拖动的交流调速系统。虽然，该方案被公认为无论是系统性能还是经济指标都很好的电力传动控制方式，但却很少在船舶电力推进系统中应用。其主要原因是因为PWM变频器需要可关断器件（比如：BJT、GTO、IGBT或MCT）作为功率开关，但目前这些器件与晶闸管相比，电流容量和电压等级较低，如果用于船舶电力推进系统，需要将许多开关器件串联或并联起来，从而增加了电路的复杂性并降低了系统的可靠性。

3.5 系统举例
• 目前最先进的电力推进船
——Queen Mary 2

•Queen Mary 2
• 150,000 gross tons
• 345 metres long
• 72 metres high
• 2,620 passengers
• 1,253 Crews
• Cost: $800 million dollars
• Top Speed: 30 knots
• Power: 157,000 hp
• Propulsion: 21.5 MW×4pods
(2 fixed and 2 azimuthing )


4. 未来——全电船的发展
• 全电船的概念
• 全电船的组成及关键技术
• 全电船的特点
• 全电船的实验系统

4.1 全电船的概念
“All electric ship – AES”
顾名思义：船舶的全部设备或绝大部分设备需要用电或采用电力传动。

例如：美国海军计划到2011年推出新型驱逐舰DD(X)

其系统组成为：
• 集成电力系统（IPS ）功率：78MW
• 电力推进系统
• 先进的多功能雷达系统
• 超强微波防卫系统
• “死光”（Lethal lasers）武器系统
• 电轨枪炮（Electric rail guns）系统
• 舰载飞机的电磁发射和回收系统
舰载飞机的电磁发射和回收系统构想图

4.2 AES的组成及关键技术
• 驱动电机与传动系统
• 原动机
• 配电系统
• 能量存储

1. 驱动电机与传动系统
• 采用传统的直流电动机、交流感应电动机和同步电动机构成电力传动系统，技术成熟便于设计，但技术已接近其潜力的极限；
• 永磁电机（PM）采用永磁材料提供励磁，省去了励磁绕组，可减少电机尺寸和提高效率，但PM设计仍不成熟；

ALSTOM先进感应电机（AIM-AdvancedInduction Motor）传动系统是当前最先进的舰用电力推进系统的解决方案，也可应用于商用船舶；
• 超导电机利用超导材料的低温超导特性，在改善电机的重量、尺寸、成本和效率方面有很大潜力，但仍处于早期研制阶段。
• 7MW双绕组同步电动机
• 两个6.6KV变频器和变压器分别供电

还有许多其他的电力传动系统方案可供选择，比如：同步变流器和交交变流器能够提供船舶电力推进所需的功率密度；
• 例如：ALSTOM研发15相20MW的AIM采用3路PWM变流器，每路PWM变频器给5相绕组供电。

2. 原动机
• 柴油机被证明技术成熟，并具有市场竞争力，但高功率密度需要高速柴油机（大约1000转/分）；
• 汽轮机可以提供大功率和高功率密度，但造价昂贵和效率低。不过，若采用先进的循环气体技术，可以大大改善汽轮机的效率，比如：21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机。
• 值得注意的是AES可以根据电力需求选取原动机的类型，更可以选用不同类型和功率的原动机组成混合电力系统，达到系统优化的目的
3、配电系统
• 配电装置必须满足船舶环境的特殊要求，特别是满足舰船撞击和震动标准，并考虑
由于大量使用AC和DC功率变换器，其谐波对高压配电系统安全的影响等问题。

4. 能量存储
这是AES概念应用于战舰的特殊要求：
• 大量电力集中使用时，比如：电磁武器系统在作战使用；
• 当电力装置发生故障和毁坏时，可以维持船舶的核心功能。
– 蓄电池
– 超级电容
– 飞轮转盘

4.3 全电船（AES）的特点
• 螺旋桨的传动轴直接由电动机驱动，缩短了传动轴，省去了传动齿轮箱，可以静音运行，并提高了可靠性和减少维修；
• 可以优化配置原动力装置；
• 可减少原动力装置的数量、尺寸和运行时间，只用通常发电装置提供船舶推进和其他用电，这样可以极大地减少船舶的造价和提高船舶的运行效率；
• 分布式集成系统具有高度自动化，可方便的实现系统重构；
• 实现全部电气化可省去液压和空气系统，改善控制性能。

• 原动机：
– 21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机
– 4MW的Typhoon型汽轮机
• 发电机：4.16kV，60Hz，3600转/分
• 电动机采用AIM：20MW，0-180转/分，15相绕组
• 变频器：VDM25000

• ZPSU提供300kW低压电源：
– AC：440V/60Hz，115V/60Hz，
115V/400Hz
– DC：220V，24V
• 电能储存：
– 5个飞轮系统提供200KW，4分钟
– 2个1MW Flow Cell供电10分钟

5 新能源船舶与我们的研究
• AES的问题
• 新能源船舶的进展
• 我们的研究

5.1 AES的问题
• 实现全船电气化，需要解决的主要问题是：电力系统的发展和革新。
• 新能源是发展方向
5.2 新能源船舶的进展
• 风力发电方式
• 太阳能供电方式
• 燃料电池供电方式
• 新能源在船舶中的应用

5.2.2 太阳能电动船

5.2.3 燃料电池电动船

瑞士的Jean-Fran&ccedil;ois Affolter教授于1999年把燃料电池应用小型游船上。

美国加利福尼亚州旧金山海湾水运管理处（WTA）2003年设计了在旧金山海湾往返的混合燃料电池摆渡船。2005年开始制造，计划在2006年初下海通航。燃料电池摆渡船设计参数：
船长23米； 速度12节； 乘客49名；总重约21吨

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http://www.hyqb.sh.cn/publish/portal7/tab675/info4734.htm

船舶电力推进系统
上海海事大学   梁伟波   摘编 2010-08-12

　　船舶电力推进，有直流推进和交流推进两大类。

　　1970年代以前，主要采用直流电力推进系统，因为直流电机转速调整范围宽广和平滑，过载起动和制动转矩大，逆转运行特性好；而交流电动机尽管具有输出功率大、极限转速高、结构简单、成本低、体积小、运行可靠等优点，但限于当时的技术限制，调速困难，应用较少。

　　随现代控制理论和数字控制、直接转矩控制、矢量控制等电力电子技术的发展，交流调速系统的性能已经可以与直流调速系统相媲美。交流电力推进系统的应用，已经成为船舶电力推进发展的主流，呈现出蓬勃发展的态势。水面船只，交流电力推进占主导地位，所选用的交流电动机，交流异步电机、交流同步电机、永磁同步电机等并存。只有潜艇，仍是直流推进占主导地位。

　　世界著名的电气集团，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研制出船舶交流电力推进的成套装置，功率从几百千瓦到几十兆瓦，其中以吊舱式推进器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推进系统，功率已达40MW，性能可靠，传动效率高，节省空间，已成功地应用在油轮、破冰船、邮轮、化学品船、半潜船等多种船型，并在近期新造船舶市场获得良好评价。

　　目前，船舶采用的电力推进系统，型式多种多样，但归纳起来基本可分为以下五类：

　　·可控硅整流器+直流电动机

　　·变距桨+交流异步电动机

　　·电流型变频器+交流同步电动机

　　·交一交变频器+交流同步电动机

　　·电压型变频器+交流异步电动机

　　选择电力推进装置时，主要关注价格、功率范围、推进效率、起动电流、起动转矩、动态响应、转矩波动、功率因数、功率损耗、谐波等指标。

　　1 可控硅整流器+直流电动机

　　1970年代以前，船舶电力推进系统中，直流电动机占据主导地位。1940和1950年代，推进系统采用原动机一直流发电机一直流电动机形式，通过调节发电机励磁电流的大小和方向，调节电动机转速及转向。

　　1950年代末，大功率可控静态电力变流元件研制成功，可控硅整流装置出现，直流电力推进系统演变成可控整流器加直流电动机模式。晶闸管的问世加速了这种推进技术的发展，拓展了其应用领域。至今，该种推进形式仍不失为一种高效、经济的推进方案。

　　可控硅整流器+直流电动机系统，采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电。

　　这种推进方式的优点：

　　·控制角α的控制范围，理论上是0～180°；实际上一般在15～150°，是考虑到电网的压降，确保电机可控，控制角α确保留有换流边界；

　　·起动电流及起动转矩接近于零；

　　·扭矩波动平滑；

　　·动态响应一般小于100毫秒。

　　缺点是：

　　·转矩控制不够精确，若要得到精确平滑的转矩控制，必须提高电枢感应系数，但会引起系统动态性能减弱，功率因数偏低，增加系统损耗；

　　·直流电机驱动需要的换向器，是一个易发生故障的部件；

　　·会对船舶电网产生较大的谐波污染，因为采用了大功率电力电子器件；

　　·直流电动机固有的结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。

　　目前，船舶推进所应用的直流推进电机的容量，在2～3MW之间。

　　2 交流异步电动机+可调螺距螺旋桨

　　交流异步电动机+可调螺距螺旋桨模式，也称为DOL(Direct on line)模式，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动变距桨实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距。为了增加可操纵性，也可用极数转换开关实现电机速度控制。

　　这种推进方式的优点是：

　　·几乎没有影响电网的谐波，因为没有采用大功率电力电子器件；

　　·电动机转矩稳定没有脉动；

　　·在设计点运行时效率很高。

　　但缺点也不少，例如：

　　·交流异步感应电机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，系统电网压降大；

　　·起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；

　　·极低航速，螺距近似为0时，仍要消耗额定功率的15％，电流约为正常值的45～55％；

　　·功率因数低，满负荷时也只能达到0.85；

　　·功率及转矩的动态响应慢，一般3～5秒才能完成，因为采用液压机构完成螺距的变换；

　　·反转慢，制动距离长；

　　·变距桨的液压控制系统十分复杂，并工作在水下，故障维修时需进坞；

　　·变距桨结构复杂，可靠性差，价格贵。

　　为了防止起动时电流和扭矩过大等不利影响，以及满足规范对船舶电站压降的要求，这种电力推进方式启动时必须采用船舶电站规定启动大电机需要的最小台数运行机组，以及电机采用Y一△启动、软启动器启动等方式。

　　这种推进方式只适合于中、小功率船舶，或1000kW以下的侧推装置，因为微软起动器目前还只有中、小功率的低压产品。

　　3 电流型变频器+交流同步电动机

　　电流型变频器+交流同步电机驱动方式(CSI+Synchronous motor)

　　(1)电流型变频器CSI(Current Source Inverter)

　　由整流器、滤波器、逆变器等三部分组成。

　　工作原理是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

　　电流型变频器的直流中间环节，采用大电感滤波，直流电流波形平直，对电动机来讲，基本上是一个电流源。

　　改变整流电路的触发角，就改变了中间直流环节的电压，相当于直流电动机的调压调速；而改变逆变电路触发脉冲的顺序，即可改变推进电动机的转矩方向，控制推进电动机转向，从而使控制电路大大简化。

　　(2)SYNCHRO电力推进

　　交流电通过三相桥式全控整流电路以及平波电抗器，再经过逆变器转换后向交流同步电机供电，此种推进方式通常被称为SYNCHRO电力推进。

　　SYNCHRO变流装置的输出频率，受同步电机转子所处角度控制：

　　·每当电机转过一对磁极，变流装置的交流电输出相应地交变一个周期，保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，不会出现失步和振荡。

　　·系统功率因数根据电机速度，从额定速度时的0.9到低速的0之间变化。

　　SYNCHRO电力推进系统主要有6脉波、12脉波、24脉波等三种结构形式，谐波成分比较固定，消除比较容易。12脉波SYNCHRO电力推进系统，如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器，对11次、13次谐波进行补偿，则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定，故12脉波的SYNCHRO电力推进系统应用较多。

　　SYNCHRO电力推进系统的缺点是：

　　·低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；

　　·时间常数较大(由于直流电同感性负载相连)，所以系统动态响应较差；

　　·电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。

　　而其优点是：

　　·起动电流接近等于零，起动转矩最高可达50％额定转矩；

　　·价格上有一定的优势；

　　·控制方便，操作灵活；

　　·能匹配特大功率电机，目前已达40～60MW。

　　10MW以上容量的电力推进装置，ALSTOM公司和STNATLAS公司倾向于选择SYNCHRO电力推进。

　　4 交一交变频器+交流同步电机

　　CYCLO变频器，英文为Cycloconverter，中文译作交一交变频器或循环变频器。该变频器广泛应用于大功率、低速范围内的交流调速，其调速上限不超过基频的40％。

　　交一交变频器+交流同步电机(Cyclo converter+Synchronous motor)驱动方式，采用CYCLO变频器，通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。

　　双绕组电动机，就是电动机定子装有2套同功率但空间相位差30°的绕组，分别由一套6脉波三相输出交一交变频装置供电。

　　变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路：一组晶闸管整流电路提供正向输出电流，另一组提供反向输出电流。构成这种交一交变频装置的三相桥式电路，在一个输出周期中三相电流有六次过零，带来六次转矩波动，所以这种交一交变频装置被称为6脉波交-交变频装置，是最基本的类型，应用广泛。

　　与6脉波变频装置相比，12脉波变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。其缺点是所需电子元件数量大，对于6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。

　　SIEMENS公司，针对双绕组同步电动机提供了12脉波交一交变频装置。

　　采用交一交变频推进的特点是：

　　·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；

　　·转矩脉动平滑；

　　·功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒；

　　·电力系统内谐波高低取决于电机速度；

　　·系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76；

　　·满负荷时效率高；

　　·变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。

　　这种驱动方式，性价比高，应用比较广泛。

　　根据国外经验，交一交循环变流器主要用于速度极低、转矩极高的场合，典型的例子就是破冰船。

　　目前单个电力驱动系统的功率范围在2～30MW之间。针对特大功率低转速推进船舶，ABB和SIEMENS公司倾向于采用CYCLO电力推进方式。

　　5 电压型变频器+交流异步电动机

　　电压型变频器VSI(Voltage Source Inverter)，与电流型变频器CSI(Current Source Inverter)同属于交一直一交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成。工作原理也是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

　　电压型变频器的中问环节采用大电容，对电动机来讲，基本上是一个电压源。

　　随着电力电子器件的发展，电压型变频器发展成新型的脉宽调制型(PWM)，整流器用二极管组成，逆变器用IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成。

　　IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，载流能力强等特点。目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。

　　IGBT的特点是：

　　·线路简单；

　　·功率因数高；

　　·谐波少；

　　·调速范围宽和响应快。

　　这种驱动方式采用二极管将交流电整流后，再通过PWM变频直流电斩波后向电机提供电压和频率均可调节的交流电。

　　采用二极管整流器，可保持电力系统能在任何电机速度的时候功率因数接近0.95。

　　相比CSI和CYCLO驱动，PWM驱动的系统谐波含量最少，用三芯变压器为变频器提供12半周的电源还可进一步减少谐波含量[6]。

　　PWM电压型变频器中，西门子采用IGBT器件进行矢量控制，ABB采用IGCT(集成门极换流晶闸管)器件进行直接转矩控制。从控制原理来说，两者都是用数字技术，通过计算机将电动机电流分解成转矩分量和磁通分量分别进行控制，以达到类似于直流电机的动态特性。

　　通过PWM型变频器控制后：

　　·系统电源输出的频率范围较宽；

　　·功率及转矩的动态响应快(小于10毫秒)；

　　·与高速鼠笼式感应式电机(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持转矩平滑输出；

　　·若采用矢量控制器，在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；

　　·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；

　　·在任何负载状况下均有很高的功率因数(约为0.95)：

　　·低速时功率损耗小；

　　·推进效率高。

　　目前应用PWM驱动的单机功率可达8MW(3300V)，价格偏贵。

　　在中小功率范围，包括部分大功率的电压型变频器中，以规模及市场占有率来看，应以SIEMENS和ABB两家为主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO变频器。

　　6 我国亟待加速研发电力推进系统

　　“国外已经开发了多种类型电力推进系统，并在多型船舶上应用。我国在此领域的研究刚刚起步。”上海海事大学教授汤天浩不久前表示，船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。他建议，我国应加速对相关技术的研究和开发应用，积极参与到这一领域的国际竞争中。

　　“由于我国在船舶电力推进系统的研究起步比较晚，对这领域的研究与发达国家相比还存在着较大的差距。目前我国虽已有采用电力推进装置的船舶，但主要的核心推进装置仍依赖于进口”中船重工711所副总工程师范建新表示，目前我国在包括电力推进系统在内的船舶发动机生产制造技术方面与国外相比还有很大差距。国外在这方面的发展经历了从传统的依赖人工技能、大量采用辅助工装、使用各类数控设备到计算机辅助制造，再到设计制作独有的专门工艺设备并结合实施产品设计／工艺设计／辅助制造一体化的过程，这是我国未来船舶发动机研发的方向。范建新建议，我国尽快提高船舶发动机制造技术的整体水平，加速进行制造领域的结构调整，使传统制造升级为先进制造。

　　专家表示，随着电力半导体技术、电机控制技术和微机控制技术的发展和成熟，电力推进日益显示出它的优越性，21世纪也将是船舶电力推进系统发展的黄金时代。随着我国经济的不断发展，我国在引进国外电力推进系统的同时，应该对其相关的技术进行吸收和消化，争取早日开发出自己的电力推进技术，以便在这一极具发展前景的领域占有一席之地。



我国亟待加速研发电力推进系统.http://www.eworldship.com/news/default_show.asp?id=22286
船舶电力推进几种典型方式的比较.http://www.simic.net.cn/news/detail.jsp?id=10789
参考文献[1]我国亟待加速研发电力推进系统.http://www.eworldship.com/news/default_show.asp?id=22286
[2]船舶电力推进几种典型方式的比较.http://www.simic.net.cn/news/detail.jsp?id=10789


http://www.iianews.com/ca/_01-ABC00000000000129455.shtml
现代船舶电力推进系统的发展


船舶电力推进系统的现状与未来
2009年
自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。


内容提要
• 引言
• 历史——回顾船舶电力推进的发展
• 现状——船舶电力推进的主要形式
• 未来——全电船的提出与发展
• 新能源船舶与我们的研究工作
• 结束语

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1. 引言
• 发展背景
• 问题与挑战

研究背景
自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。
问题与挑战
（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。
与机械推进系统相比，采用电动机直接驱动螺旋桨的船舶电力推进系统则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。
（2）特别是近年来，随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。
而船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。
（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。
这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一，因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。
本文试图从系统结构、变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面综述船舶电力推进系统的历史、现状与发展，并在此基础上，根据作者多次参加国际合作和交流的体会，提出了船舶电力推进系统未来发展中值得重视的一些问题，以便同行研究借鉴，并希望有更多的学者关注和投身到电力电子与传动控制这一新的研究领域中来。

2. 历史——回顾船舶电力推进的发展
• 船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直
接驱动的电力推进潜水艇投入使用。
• 进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机—发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。
20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000 HP）都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。
在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。
此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。
• 70年代晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard变流装置，成为船舶电力推进系统的主要调速方法。
自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统正在逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。
• 在这期间，80年代的电力推进系统采用交—直—交变频器供电，感应电动机或同步电动机驱动的交流调速方式，90年代开始采用交—交变频器供电，同步电动机驱动的交流调速方式。

历史的启示
从船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。
但由于船舶电力推进系统大多用于军事或特殊场合（虽然目前在大型渡轮和豪华客轮中有所应用），因此，这一重要的应用领域并不被广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。

3. 现状——舰船电力推进的主要形式
• 系统结构
• 驱动模式
• 调速方法
• 控制策略
• 系统举例
3.1 系统结构
船舶电力推进的基本结构：
电动机拖动螺旋桨

电力推进船舶的优点
• 使用高速不可逆的热力发动机，降低了船舶动力装置的重量和体积；
• 可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；
• 允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；
• 在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能；
可以获得所需的推进电机机械特性，满足不同航行条件要求；
• 控制简单、机动性好；
• 可以消除推进螺旋桨对热力发动机的振动和冲击。
3.2 驱动模式
• 船舶电力推进系统分类
• 多台电动机联合拖动方式
船舶电力推进系统分类
（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，
（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，
并根据船舶驱动所需的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。
多台电动机联合拖动方式又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。
（a）为单桨双机串联驱动模式；
（b）为单桨双机并联驱动模式；
（c）为双桨双机串联驱动模式；
（d）为双桨双机并联驱动模式。
几种船舶电力推进模式

电动机与螺旋桨舵桨和一成为目前船舶新的推进方式。

这种分散驱动新模式的优点在于：
• 推进器360°旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；
• 减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；
• 去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；
• 降低船舶振动和噪音；
• 减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降低油耗和减少造价）。

例如：西门子吊舱式电力推进器SSP
• 电动机直径减小40%；
• 电动机效率达到98%；
• 总效率提高20%。
例如：ABB的CRP Azipod推进器
• 燃油消耗减少20%；
• 往返时间缩短25%。

3.3 调速方法
• 目前，由于电力电子变流器的广泛应用，船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动FPP的驱动模式。如图所示，常用的船舶电力推进系统的调速方法有4种：

（1）直流调速系统
采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换向器的限制，其功率不能超过5MW。而且，由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养，并容易出故障。因此，目前已不再选择这种调速方法。为解决上述问题，近年来永磁电机得到发展，但因其功率更小，只能用在小功率的船上。
（2）基于循环变流器的交流调速系统
采用交—交变频器供电的交流调速系统。在船舶电力推进系统的应用中，一般主要选择同步电动机作为驱动电机。这是因为同步电动机的气隙较大且具有较高的鲁棒性，加上发电的同步发电机与拖动的同步电动机的结构相同，在大功率的应用场合更易匹配。此外，循环变流器的低频大功率特性，使采用循环变流器供电的同步电动机调速系统更适合于需要低速大转矩的船舶电力推进应用场合，比如需要零速大力矩的破冰船。
(3) 基于同步变流器的交流调速系统
采用同步变流器（交—直—交电流源逆变器）供电的交流调速系统。由于系统在网侧和负载侧都采用晶闸管自然换向的变流方式，因此只能选择同步电动机作为拖动电机。这种同步变流器与同步电动机组合的电力推进方式，由于其简单可靠，成为除破冰船之外，所有船舶都适用的选择方案。
（4） 基于PWM控制的交流调速系统
采用PWM变频器供电，异步感应电动机拖动的交流调速系统。虽然，该方案被公认为无论是系统性能还是经济指标都很好的电力传动控制方式，但却很少在船舶电力推进系统中应用。其主要原因是因为PWM变频器需要可关断器件（比如：BJT、GTO、IGBT或MCT）作为功率开关，但目前这些器件与晶闸管相比，电流容量和电压等级较低，如果用于船舶电力推进系统，需要将许多开关器件串联或并联起来，从而增加了电路的复杂性并降低了系统的可靠性。

3.5 系统举例
• 目前最先进的电力推进船
——Queen Mary 2

•Queen Mary 2
• 150,000 gross tons
• 345 metres long
• 72 metres high
• 2,620 passengers
• 1,253 Crews
• Cost: $800 million dollars
• Top Speed: 30 knots
• Power: 157,000 hp
• Propulsion: 21.5 MW×4pods
(2 fixed and 2 azimuthing )


4. 未来——全电船的发展
• 全电船的概念
• 全电船的组成及关键技术
• 全电船的特点
• 全电船的实验系统

4.1 全电船的概念
“All electric ship – AES”
顾名思义：船舶的全部设备或绝大部分设备需要用电或采用电力传动。

例如：美国海军计划到2011年推出新型驱逐舰DD(X)

其系统组成为：
• 集成电力系统（IPS ）功率：78MW
• 电力推进系统
• 先进的多功能雷达系统
• 超强微波防卫系统
• “死光”（Lethal lasers）武器系统
• 电轨枪炮（Electric rail guns）系统
• 舰载飞机的电磁发射和回收系统
舰载飞机的电磁发射和回收系统构想图

4.2 AES的组成及关键技术
• 驱动电机与传动系统
• 原动机
• 配电系统
• 能量存储

1. 驱动电机与传动系统
• 采用传统的直流电动机、交流感应电动机和同步电动机构成电力传动系统，技术成熟便于设计，但技术已接近其潜力的极限；
• 永磁电机（PM）采用永磁材料提供励磁，省去了励磁绕组，可减少电机尺寸和提高效率，但PM设计仍不成熟；

ALSTOM先进感应电机（AIM-AdvancedInduction Motor）传动系统是当前最先进的舰用电力推进系统的解决方案，也可应用于商用船舶；
• 超导电机利用超导材料的低温超导特性，在改善电机的重量、尺寸、成本和效率方面有很大潜力，但仍处于早期研制阶段。
• 7MW双绕组同步电动机
• 两个6.6KV变频器和变压器分别供电

还有许多其他的电力传动系统方案可供选择，比如：同步变流器和交交变流器能够提供船舶电力推进所需的功率密度；
• 例如：ALSTOM研发15相20MW的AIM采用3路PWM变流器，每路PWM变频器给5相绕组供电。

2. 原动机
• 柴油机被证明技术成熟，并具有市场竞争力，但高功率密度需要高速柴油机（大约1000转/分）；
• 汽轮机可以提供大功率和高功率密度，但造价昂贵和效率低。不过，若采用先进的循环气体技术，可以大大改善汽轮机的效率，比如：21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机。
• 值得注意的是AES可以根据电力需求选取原动机的类型，更可以选用不同类型和功率的原动机组成混合电力系统，达到系统优化的目的
3、配电系统
• 配电装置必须满足船舶环境的特殊要求，特别是满足舰船撞击和震动标准，并考虑
由于大量使用AC和DC功率变换器，其谐波对高压配电系统安全的影响等问题。

4. 能量存储
这是AES概念应用于战舰的特殊要求：
• 大量电力集中使用时，比如：电磁武器系统在作战使用；
• 当电力装置发生故障和毁坏时，可以维持船舶的核心功能。
– 蓄电池
– 超级电容
– 飞轮转盘

4.3 全电船（AES）的特点
• 螺旋桨的传动轴直接由电动机驱动，缩短了传动轴，省去了传动齿轮箱，可以静音运行，并提高了可靠性和减少维修；
• 可以优化配置原动力装置；
• 可减少原动力装置的数量、尺寸和运行时间，只用通常发电装置提供船舶推进和其他用电，这样可以极大地减少船舶的造价和提高船舶的运行效率；
• 分布式集成系统具有高度自动化，可方便的实现系统重构；
• 实现全部电气化可省去液压和空气系统，改善控制性能。

• 原动机：
– 21MW的Rolls-Royce WR21型汽轮机
– 4MW的Typhoon型汽轮机
• 发电机：4.16kV，60Hz，3600转/分
• 电动机采用AIM：20MW，0-180转/分，15相绕组
• 变频器：VDM25000

• ZPSU提供300kW低压电源：
– AC：440V/60Hz，115V/60Hz，
115V/400Hz
– DC：220V，24V
• 电能储存：
– 5个飞轮系统提供200KW，4分钟
– 2个1MW Flow Cell供电10分钟

5 新能源船舶与我们的研究
• AES的问题
• 新能源船舶的进展
• 我们的研究

5.1 AES的问题
• 实现全船电气化，需要解决的主要问题是：电力系统的发展和革新。
• 新能源是发展方向
5.2 新能源船舶的进展
• 风力发电方式
• 太阳能供电方式
• 燃料电池供电方式
• 新能源在船舶中的应用

5.2.2 太阳能电动船

5.2.3 燃料电池电动船

瑞士的Jean-Fran&ccedil;ois Affolter教授于1999年把燃料电池应用小型游船上。

美国加利福尼亚州旧金山海湾水运管理处（WTA）2003年设计了在旧金山海湾往返的混合燃料电池摆渡船。2005年开始制造，计划在2006年初下海通航。燃料电池摆渡船设计参数：
船长23米； 速度12节； 乘客49名；总重约21吨

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http://www.hyqb.sh.cn/publish/portal7/tab675/info4734.htm

船舶电力推进系统
上海海事大学   梁伟波   摘编 2010-08-12

　　船舶电力推进，有直流推进和交流推进两大类。

　　1970年代以前，主要采用直流电力推进系统，因为直流电机转速调整范围宽广和平滑，过载起动和制动转矩大，逆转运行特性好；而交流电动机尽管具有输出功率大、极限转速高、结构简单、成本低、体积小、运行可靠等优点，但限于当时的技术限制，调速困难，应用较少。

　　随现代控制理论和数字控制、直接转矩控制、矢量控制等电力电子技术的发展，交流调速系统的性能已经可以与直流调速系统相媲美。交流电力推进系统的应用，已经成为船舶电力推进发展的主流，呈现出蓬勃发展的态势。水面船只，交流电力推进占主导地位，所选用的交流电动机，交流异步电机、交流同步电机、永磁同步电机等并存。只有潜艇，仍是直流推进占主导地位。

　　世界著名的电气集团，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研制出船舶交流电力推进的成套装置，功率从几百千瓦到几十兆瓦，其中以吊舱式推进器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推进系统，功率已达40MW，性能可靠，传动效率高，节省空间，已成功地应用在油轮、破冰船、邮轮、化学品船、半潜船等多种船型，并在近期新造船舶市场获得良好评价。

　　目前，船舶采用的电力推进系统，型式多种多样，但归纳起来基本可分为以下五类：

　　·可控硅整流器+直流电动机

　　·变距桨+交流异步电动机

　　·电流型变频器+交流同步电动机

　　·交一交变频器+交流同步电动机

　　·电压型变频器+交流异步电动机

　　选择电力推进装置时，主要关注价格、功率范围、推进效率、起动电流、起动转矩、动态响应、转矩波动、功率因数、功率损耗、谐波等指标。

　　1 可控硅整流器+直流电动机

　　1970年代以前，船舶电力推进系统中，直流电动机占据主导地位。1940和1950年代，推进系统采用原动机一直流发电机一直流电动机形式，通过调节发电机励磁电流的大小和方向，调节电动机转速及转向。

　　1950年代末，大功率可控静态电力变流元件研制成功，可控硅整流装置出现，直流电力推进系统演变成可控整流器加直流电动机模式。晶闸管的问世加速了这种推进技术的发展，拓展了其应用领域。至今，该种推进形式仍不失为一种高效、经济的推进方案。

　　可控硅整流器+直流电动机系统，采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电。

　　这种推进方式的优点：

　　·控制角α的控制范围，理论上是0～180°；实际上一般在15～150°，是考虑到电网的压降，确保电机可控，控制角α确保留有换流边界；

　　·起动电流及起动转矩接近于零；

　　·扭矩波动平滑；

　　·动态响应一般小于100毫秒。

　　缺点是：

　　·转矩控制不够精确，若要得到精确平滑的转矩控制，必须提高电枢感应系数，但会引起系统动态性能减弱，功率因数偏低，增加系统损耗；

　　·直流电机驱动需要的换向器，是一个易发生故障的部件；

　　·会对船舶电网产生较大的谐波污染，因为采用了大功率电力电子器件；

　　·直流电动机固有的结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。

　　目前，船舶推进所应用的直流推进电机的容量，在2～3MW之间。

　　2 交流异步电动机+可调螺距螺旋桨

　　交流异步电动机+可调螺距螺旋桨模式，也称为DOL(Direct on line)模式，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动变距桨实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距。为了增加可操纵性，也可用极数转换开关实现电机速度控制。

　　这种推进方式的优点是：

　　·几乎没有影响电网的谐波，因为没有采用大功率电力电子器件；

　　·电动机转矩稳定没有脉动；

　　·在设计点运行时效率很高。

　　但缺点也不少，例如：

　　·交流异步感应电机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，系统电网压降大；

　　·起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；

　　·极低航速，螺距近似为0时，仍要消耗额定功率的15％，电流约为正常值的45～55％；

　　·功率因数低，满负荷时也只能达到0.85；

　　·功率及转矩的动态响应慢，一般3～5秒才能完成，因为采用液压机构完成螺距的变换；

　　·反转慢，制动距离长；

　　·变距桨的液压控制系统十分复杂，并工作在水下，故障维修时需进坞；

　　·变距桨结构复杂，可靠性差，价格贵。

　　为了防止起动时电流和扭矩过大等不利影响，以及满足规范对船舶电站压降的要求，这种电力推进方式启动时必须采用船舶电站规定启动大电机需要的最小台数运行机组，以及电机采用Y一△启动、软启动器启动等方式。

　　这种推进方式只适合于中、小功率船舶，或1000kW以下的侧推装置，因为微软起动器目前还只有中、小功率的低压产品。

　　3 电流型变频器+交流同步电动机

　　电流型变频器+交流同步电机驱动方式(CSI+Synchronous motor)

　　(1)电流型变频器CSI(Current Source Inverter)

　　由整流器、滤波器、逆变器等三部分组成。

　　工作原理是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

　　电流型变频器的直流中间环节，采用大电感滤波，直流电流波形平直，对电动机来讲，基本上是一个电流源。

　　改变整流电路的触发角，就改变了中间直流环节的电压，相当于直流电动机的调压调速；而改变逆变电路触发脉冲的顺序，即可改变推进电动机的转矩方向，控制推进电动机转向，从而使控制电路大大简化。

　　(2)SYNCHRO电力推进

　　交流电通过三相桥式全控整流电路以及平波电抗器，再经过逆变器转换后向交流同步电机供电，此种推进方式通常被称为SYNCHRO电力推进。

　　SYNCHRO变流装置的输出频率，受同步电机转子所处角度控制：

　　·每当电机转过一对磁极，变流装置的交流电输出相应地交变一个周期，保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，不会出现失步和振荡。

　　·系统功率因数根据电机速度，从额定速度时的0.9到低速的0之间变化。

　　SYNCHRO电力推进系统主要有6脉波、12脉波、24脉波等三种结构形式，谐波成分比较固定，消除比较容易。12脉波SYNCHRO电力推进系统，如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器，对11次、13次谐波进行补偿，则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定，故12脉波的SYNCHRO电力推进系统应用较多。

　　SYNCHRO电力推进系统的缺点是：

　　·低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；

　　·时间常数较大(由于直流电同感性负载相连)，所以系统动态响应较差；

　　·电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。

　　而其优点是：

　　·起动电流接近等于零，起动转矩最高可达50％额定转矩；

　　·价格上有一定的优势；

　　·控制方便，操作灵活；

　　·能匹配特大功率电机，目前已达40～60MW。

　　10MW以上容量的电力推进装置，ALSTOM公司和STNATLAS公司倾向于选择SYNCHRO电力推进。

　　4 交一交变频器+交流同步电机

　　CYCLO变频器，英文为Cycloconverter，中文译作交一交变频器或循环变频器。该变频器广泛应用于大功率、低速范围内的交流调速，其调速上限不超过基频的40％。

　　交一交变频器+交流同步电机(Cyclo converter+Synchronous motor)驱动方式，采用CYCLO变频器，通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。

　　双绕组电动机，就是电动机定子装有2套同功率但空间相位差30°的绕组，分别由一套6脉波三相输出交一交变频装置供电。

　　变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路：一组晶闸管整流电路提供正向输出电流，另一组提供反向输出电流。构成这种交一交变频装置的三相桥式电路，在一个输出周期中三相电流有六次过零，带来六次转矩波动，所以这种交一交变频装置被称为6脉波交-交变频装置，是最基本的类型，应用广泛。

　　与6脉波变频装置相比，12脉波变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。其缺点是所需电子元件数量大，对于6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。

　　SIEMENS公司，针对双绕组同步电动机提供了12脉波交一交变频装置。

　　采用交一交变频推进的特点是：

　　·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；

　　·转矩脉动平滑；

　　·功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒；

　　·电力系统内谐波高低取决于电机速度；

　　·系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76；

　　·满负荷时效率高；

　　·变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。

　　这种驱动方式，性价比高，应用比较广泛。

　　根据国外经验，交一交循环变流器主要用于速度极低、转矩极高的场合，典型的例子就是破冰船。

　　目前单个电力驱动系统的功率范围在2～30MW之间。针对特大功率低转速推进船舶，ABB和SIEMENS公司倾向于采用CYCLO电力推进方式。

　　5 电压型变频器+交流异步电动机

　　电压型变频器VSI(Voltage Source Inverter)，与电流型变频器CSI(Current Source Inverter)同属于交一直一交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成。工作原理也是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

　　电压型变频器的中问环节采用大电容，对电动机来讲，基本上是一个电压源。

　　随着电力电子器件的发展，电压型变频器发展成新型的脉宽调制型(PWM)，整流器用二极管组成，逆变器用IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成。

　　IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，载流能力强等特点。目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。

　　IGBT的特点是：

　　·线路简单；

　　·功率因数高；

　　·谐波少；

　　·调速范围宽和响应快。

　　这种驱动方式采用二极管将交流电整流后，再通过PWM变频直流电斩波后向电机提供电压和频率均可调节的交流电。

　　采用二极管整流器，可保持电力系统能在任何电机速度的时候功率因数接近0.95。

　　相比CSI和CYCLO驱动，PWM驱动的系统谐波含量最少，用三芯变压器为变频器提供12半周的电源还可进一步减少谐波含量[6]。

　　PWM电压型变频器中，西门子采用IGBT器件进行矢量控制，ABB采用IGCT(集成门极换流晶闸管)器件进行直接转矩控制。从控制原理来说，两者都是用数字技术，通过计算机将电动机电流分解成转矩分量和磁通分量分别进行控制，以达到类似于直流电机的动态特性。

　　通过PWM型变频器控制后：

　　·系统电源输出的频率范围较宽；

　　·功率及转矩的动态响应快(小于10毫秒)；

　　·与高速鼠笼式感应式电机(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持转矩平滑输出；

　　·若采用矢量控制器，在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；

　　·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；

　　·在任何负载状况下均有很高的功率因数(约为0.95)：

　　·低速时功率损耗小；

　　·推进效率高。

　　目前应用PWM驱动的单机功率可达8MW(3300V)，价格偏贵。

　　在中小功率范围，包括部分大功率的电压型变频器中，以规模及市场占有率来看，应以SIEMENS和ABB两家为主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO变频器。

　　6 我国亟待加速研发电力推进系统

　　“国外已经开发了多种类型电力推进系统，并在多型船舶上应用。我国在此领域的研究刚刚起步。”上海海事大学教授汤天浩不久前表示，船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。他建议，我国应加速对相关技术的研究和开发应用，积极参与到这一领域的国际竞争中。

　　“由于我国在船舶电力推进系统的研究起步比较晚，对这领域的研究与发达国家相比还存在着较大的差距。目前我国虽已有采用电力推进装置的船舶，但主要的核心推进装置仍依赖于进口”中船重工711所副总工程师范建新表示，目前我国在包括电力推进系统在内的船舶发动机生产制造技术方面与国外相比还有很大差距。国外在这方面的发展经历了从传统的依赖人工技能、大量采用辅助工装、使用各类数控设备到计算机辅助制造，再到设计制作独有的专门工艺设备并结合实施产品设计／工艺设计／辅助制造一体化的过程，这是我国未来船舶发动机研发的方向。范建新建议，我国尽快提高船舶发动机制造技术的整体水平，加速进行制造领域的结构调整，使传统制造升级为先进制造。

　　专家表示，随着电力半导体技术、电机控制技术和微机控制技术的发展和成熟，电力推进日益显示出它的优越性，21世纪也将是船舶电力推进系统发展的黄金时代。随着我国经济的不断发展，我国在引进国外电力推进系统的同时，应该对其相关的技术进行吸收和消化，争取早日开发出自己的电力推进技术，以便在这一极具发展前景的领域占有一席之地。



我国亟待加速研发电力推进系统.http://www.eworldship.com/news/default_show.asp?id=22286
船舶电力推进几种典型方式的比较.http://www.simic.net.cn/news/detail.jsp?id=10789
参考文献[1]我国亟待加速研发电力推进系统.http://www.eworldship.com/news/default_show.asp?id=22286
[2]船舶电力推进几种典型方式的比较.http://www.simic.net.cn/news/detail.jsp?id=10789


http://www.iianews.com/ca/_01-ABC00000000000129455.shtml
现代船舶电力推进系统的发展

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
兆的一个意思就是百万。

tg要有魄力造别人没有的东西，从过去来看美帝的那些船没有白造啊，看看世界哪个有利益的地方没有美帝的航母啊。

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
兆瓦是100万瓦级,你说和100千瓦级有米提高?

lizhiling 发表于 2012-5-21 22:46
求解超导电机相比传统电机有何区别，比如同等输出功率下电机体积和耗电量有多大差异。另外一兆瓦等于 ...
体积比传统的电机小很多，低功率下效率很高。
超导电机最大的好处就是在很低的功率下，效率几乎不变。很适合船用动力。
1兆瓦=1000千瓦。

船舶电力推进系统优势多多http://www.simic.net.cn/news_show.php?id=59473

随着国际海事组织在船舶排放方面制定越来越严格的标准，加上石油资源逐渐耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，绿色环保的电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向。国外已经开发了多种类型电力推进系统，并在多型船舶上应用。我国在此领域的研究则刚刚起步，应加速对相关技术的研究和开发应用，积极参与到这一领域的国际竞争，在市场上占有一席之地。

“与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。电力推进作为船舶的新型推进动力，世界各国都在进行深入的研究” 中国工程院院土、中国船舶轮机专家闻雪友表示，作为船舶主动力系统的电力推进系统，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。目前，发达国家新造船舶的30％已采用电力推进系统。船舶电力推进新技术的研发及应用，将大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，这将是今后船舶动力领域的一个发展方向。

“相对于传统的柴油机推进系统，电力推进系统可谓优势多多。”据上海海事大学教授汤天浩介绍：
1、电力推进具有良好的经济性。在一艘船上多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性。与同功率的船舶相比，采用电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右，减少船体阻力5％-10％，提高运输效率15％，航速可提高0.5节。
2、电力推进系统操纵性好。采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，制动快，正反车速度切换快，可推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性。
3、电力推进系统具有良好的安全性。对于柴油机推进的船舶来说，一旦主机重要部件或舵机、轴系出现故障往往导致瘫船。而电力推进则使用多台原动机，个别机组故障不致丧失动力。电力推进系统多采用两套以上互为备用，同步电动机定子有两组相互独立的绕组，一组出了故障仍可减载运行。
4、电力推进系统节省空间。采用传统推进系统的船舶轴系长度往往占到船长的40％左右，采用电力推进系统的船舶省去了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布局结构，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间。
5、电力推进系统噪音低。采用电力推进后，主要振动源——发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，工作区整洁，提高了乘船的舒适程度。
6、采用电力推进系统有利于船舶控制环境污染，降低排放。对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，减少了废气排放，使机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

专家表示，船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。因此，船舶电力推进系统应用范围不断扩大，将成为未来绿色船舶前进的动力。

船舶电力推进系统优势多多http://www.simic.net.cn/news_show.php?id=59473

随着国际海事组织在船舶排放方面制定越来越严格的标准，加上石油资源逐渐耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，绿色环保的电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向。国外已经开发了多种类型电力推进系统，并在多型船舶上应用。我国在此领域的研究则刚刚起步，应加速对相关技术的研究和开发应用，积极参与到这一领域的国际竞争，在市场上占有一席之地。

“与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。电力推进作为船舶的新型推进动力，世界各国都在进行深入的研究” 中国工程院院土、中国船舶轮机专家闻雪友表示，作为船舶主动力系统的电力推进系统，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。目前，发达国家新造船舶的30％已采用电力推进系统。船舶电力推进新技术的研发及应用，将大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，这将是今后船舶动力领域的一个发展方向。

“相对于传统的柴油机推进系统，电力推进系统可谓优势多多。”据上海海事大学教授汤天浩介绍：
1、电力推进具有良好的经济性。在一艘船上多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性。与同功率的船舶相比，采用电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右，减少船体阻力5％-10％，提高运输效率15％，航速可提高0.5节。
2、电力推进系统操纵性好。采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，制动快，正反车速度切换快，可推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性。
3、电力推进系统具有良好的安全性。对于柴油机推进的船舶来说，一旦主机重要部件或舵机、轴系出现故障往往导致瘫船。而电力推进则使用多台原动机，个别机组故障不致丧失动力。电力推进系统多采用两套以上互为备用，同步电动机定子有两组相互独立的绕组，一组出了故障仍可减载运行。
4、电力推进系统节省空间。采用传统推进系统的船舶轴系长度往往占到船长的40％左右，采用电力推进系统的船舶省去了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布局结构，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间。
5、电力推进系统噪音低。采用电力推进后，主要振动源——发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，工作区整洁，提高了乘船的舒适程度。
6、采用电力推进系统有利于船舶控制环境污染，降低排放。对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，减少了废气排放，使机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

专家表示，船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。因此，船舶电力推进系统应用范围不断扩大，将成为未来绿色船舶前进的动力。

电力推进与柴油机推进的比较

　　以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶动力装置，曾对船舶及航运的发展作出了重要贡献，然而这类动力装置也因其一些固有的缺陷阻碍了进一步发展，例如：占据空间过大，以柴油机和汽轮机为主机的船舶，其机舱空间都被体积庞大的发动机、机械传动装置、减速器和轴系等占据，舱室空间利用率大大降低，有效载荷减小。工作环境差，以柴油机或汽轮机为主机的机舱内，不仅振动大、噪声高，而且油污多，废气排放影响空气质量，卫生条件差。主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量(轮机人员往往占船员的30%～45%)。船舶采用电力推进系统后，提高了柴油机效率约10%～15%，节约了维修保养费，显著地增加了船体可利用空间，同时船型优化，提供了安静的推进方式，并且通过柴油机在大于40%的负载匀速运转来减少污染(减少了N0x和S0x的排放)。除此之外，电力推进系统还将提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用率。

　　通过表1和表2的一艘高速集装箱船的船体、主机的参数将柴油机直接推进和柴油发电机电力推进进行对比：

12.jpg (19.36 KB, 下载次数: 0)

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2012-5-21 23:12 上传

　　下表是计算所要求的推进功率参数

13.jpg (28.82 KB, 下载次数: 0)

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2012-5-21 23:12 上传

　　3 电力推进的优点

　　如果将电力推进系统作为船舶主推进系统，则上述柴油机推进系统的缺陷将被克服或改观，它具有下列优点：

　　3.1优化机舱

　　采用电力推进系统后，机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

　　3.2维护减轻

　　实现自动化监控，能很快发现问题，排除故障，可进行有针对性的适情和适时维护，既提高了适航性又减轻了工作量。原编制人员可减少50%-75%。

　　3.3性能提升

　　采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，过渡过程延时短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提升船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能或战术技术性能。

　　3.4实现自控

　　船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准，大中型水面舰艇采用电力推进系统后，以高性能换来高机动性，以低噪声换来声学隐身效果，以单一的平台替代传统的动力与电力二大系统，为发展高能武器创造条件。以最少的人员编制达到常规舰船的满员效果，以最小的机舱换来更大的武器舱，增强战斗力。
http://www.idnovo.com.cn/article/2009/1210/article_57910.html

电力推进与柴油机推进的比较

　　以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶动力装置，曾对船舶及航运的发展作出了重要贡献，然而这类动力装置也因其一些固有的缺陷阻碍了进一步发展，例如：占据空间过大，以柴油机和汽轮机为主机的船舶，其机舱空间都被体积庞大的发动机、机械传动装置、减速器和轴系等占据，舱室空间利用率大大降低，有效载荷减小。工作环境差，以柴油机或汽轮机为主机的机舱内，不仅振动大、噪声高，而且油污多，废气排放影响空气质量，卫生条件差。主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量(轮机人员往往占船员的30%～45%)。船舶采用电力推进系统后，提高了柴油机效率约10%～15%，节约了维修保养费，显著地增加了船体可利用空间，同时船型优化，提供了安静的推进方式，并且通过柴油机在大于40%的负载匀速运转来减少污染(减少了N0x和S0x的排放)。除此之外，电力推进系统还将提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用率。

　　通过表1和表2的一艘高速集装箱船的船体、主机的参数将柴油机直接推进和柴油发电机电力推进进行对比：

12.jpg (19.36 KB, 下载次数: 0)

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　　下表是计算所要求的推进功率参数

13.jpg (28.82 KB, 下载次数: 0)

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2012-5-21 23:12 上传

　　3 电力推进的优点

　　如果将电力推进系统作为船舶主推进系统，则上述柴油机推进系统的缺陷将被克服或改观，它具有下列优点：

　　3.1优化机舱

　　采用电力推进系统后，机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

　　3.2维护减轻

　　实现自动化监控，能很快发现问题，排除故障，可进行有针对性的适情和适时维护，既提高了适航性又减轻了工作量。原编制人员可减少50%-75%。

　　3.3性能提升

　　采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，过渡过程延时短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提升船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能或战术技术性能。

　　3.4实现自控

　　船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准，大中型水面舰艇采用电力推进系统后，以高性能换来高机动性，以低噪声换来声学隐身效果，以单一的平台替代传统的动力与电力二大系统，为发展高能武器创造条件。以最少的人员编制达到常规舰船的满员效果，以最小的机舱换来更大的武器舱，增强战斗力。
http://www.idnovo.com.cn/article/2009/1210/article_57910.html

１兆瓦=1000KW？？

420KW电机俺见过，没多大的也，不到一人高

１兆瓦=1000KW？？

420KW电机俺见过，没多大的也，不到一人高

这个电看着就晕，太复杂了。

ddsdm 发表于 2012-5-21 20:43
实现了从百千瓦级到兆瓦级的飞跃

我有点晕，百千瓦和兆瓦有区别吗？
有啊。一个级别呢。。百千瓦到千千瓦（兆瓦）

用在航母上，那是太早的话题了，估计要达到100兆瓦，用在潜艇上，倒是努力努力，2020有可能